(57)【要約】【課題】  タンパク質モータを吸着し有効に機能させることができるタンパク質モータ用の基板とその製造方法、並びにそのタンパク質モータ用基板を用いてタンパク質フィラメントの制御等に活用できるタンパク質モータ構造体を提供すること。【解決手段】  タンパク質モータを、その運動機能を保持したまま配置させるための基板であって、少なくとも表面に、タンパク質モータを吸着可能なＳＯＧ（Spin on Glass）を備えることを特徴とする。そのＳＯＧの所望位置に、タンパク質モータを吸着させて、タンパク質フィラメントとの各種相互作用が可能な構造体として提供する。【選択図】  図３
2007111795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンパク質モータを、その運動機能を保持したまま配置させるための基板であって、
少なくとも表面に、タンパク質モータを吸着可能なＳＯＧ（Spin on Glass）を備える
ことを特徴とするタンパク質モータ用基板。
【請求項２】
タンパク質モータをその運動機能を保持したまま配置させるための基板を製造する方法であって、
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、
そのＳＯＧ膜上に、露光用レジストを塗布してパターニングし、
そのレジストパターンをマスクとしてエッチングすることで、ＳＯＧ膜のパターニングを行う
ことを特徴とするタンパク質モータ用基板の製造方法。
【請求項３】
タンパク質モータをその運動機能を保持したまま配置させるための基板を製造する方法であって、
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、
そのＳＯＧ膜に対して、転写するための型となるモールドのマスクを押し当て、
その後、マスクをＳＯＧ膜から剥離することで、ＳＯＧ膜のパターニングを行う
ことを特徴とするタンパク質モータ用基板の製造方法。
【請求項４】
タンパク質モータをその運動機能を保持したまま配置させるための基板を製造する方法であって、
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、
そのＳＯＧ膜に対して、イオンビームを用いて所望の形状に直接エッチングすることで、ＳＯＧ膜のパターニングを行う
ことを特徴とするタンパク質モータ用基板の製造方法。
【請求項５】
タンパク質モータをその運動機能を保持したまま配置させるための基板を製造する方法であって、
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、
そのＳＯＧ膜に対して、転写するための型となるマスクを当て、放射光を照射することで、ＳＯＧ膜のパターニングを行う
ことを特徴とするタンパク質モータ用基板の製造方法。
【請求項６】
タンパク質フィラメントとの相互作用が可能な構造体であって、
少なくとも外面にＳＯＧを備え、そのＳＯＧの所望位置に、タンパク質モータをその運動機能を保持したまま吸着させた
ことを特徴とするタンパク質モータ構造体。
【請求項７】
請求項６に記載のタンパク質モータ構造体を、台状に突出させ、
その台上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させると共に、台より下方に位置する基板面から浮かせた状態でマイクロビーズをタンパク質フィラメントに固定させることで、
タンパク質モータの力測定可能なタンパク質モータ構造体。
【請求項８】
請求項６に記載のタンパク質モータ構造体を、部分的にドット状に突出させ、
そのドットの間隔を適宜選択すると共に、ドット上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させることで、
タンパク質フィラメントを長さに応じて分別可能なタンパク質モータ構造体。
【請求項９】
請求項６に記載のタンパク質モータ構造体を、台状に突出させ、
その台上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させると共に、台より下方に位置する基板面にタンパク質モータには非接触な電極を設けることで、
タンパク質フィラメントの運動方向を制御可能なタンパク質モータ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質フィラメントと相互作用するタンパク質モータ用の基板とその製造方法、並びにそのタンパク質モータ用基板を用いたタンパク質モータ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物は、様々な生体分子の働きによって、その生命活動を維持している。その生体分子の機能によって、生物はコンピュータや人工機械には真似のできないような柔軟で巧妙な能力を獲得している。そのような能力には、例えば、自律性、自己集合、自己修復、自己複製、学習、創造性などが挙げられる。
この能力の基礎となる素子である超分子は、生体分子の集合体であり、タンパク質はその代表的な構成要素である。この超分子は、ナノメータサイズの大きさでありながら、巧みな情報処理も行うことができる。
【０００３】
生体の機能の一つに、運動がある。例えば、大型動物には、筋肉を収縮させ四肢を動かして跳躍するものがある。また、微生物には、繊毛や鞭毛を動かして、水中を泳ぐものもある。
これらの運動をもたらすものは、タンパク質モータと呼ばれるタンパク質である。タンパク質モータが多数集まり、運動を作り出している。
一般に、タンパク質モータは、細胞内で起こる種々の酵素反応の直接のエネルギー源であるＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を加水分解し、そこから得られる化学エネルギーを使って、タンパク質レールと呼ばれる繊維状のタンパク質（フィラメント）を、それらの繊維軸に沿って滑り運動をさせることが知られている。
【０００４】
タンパク質モータは、生体の動きを司るタンパク質であり、生物には普遍的に存在し、三種類に大別される。
アクチンというタンパク質レールの上を動くタンパク質モータには、骨格筋の収縮や原形質流動などに寄与するミオシンがある。
微小管（マイクロチューブ）というタンパク質レールの上を動くタンパク質モータには、細胞内の物質輸送などに関与するキネシンと、精子の鞭毛や気管の繊毛の運動などにも寄与するダイニンがある。
【０００５】
微小管には方向性があり、盛んに伸長する側をプラス、その反対側をマイナスと呼ぶ。神経軸索の中では、微小管は細胞体から神経軸索の先端に向かって、マイナス方向からプラス方向へと伸びている。このような微小管の上で、タンパク質モータの作用を受けて、神経軸索内でのタンパク質の輸送が行われる。
ダイニンは、微小管上をマイナス方向に移動するタンパク質モータであり、軸索内では細胞体の方向へ向かう輸送に関与する。
【０００６】
ダイニンの分子形状は、中央に穴の空いた直径12nmほどの球状の頭部と、そこから突き出た柄と、長い尾部とから成る。ダイニンは、頭部から突き出た柄の先だけで微小管と結合する。つまり、ダイニンは、微小管に結合するモータ領域を1つだけ有する。
【０００７】
タンパク質モータは、約2000〜5000個のアミノ酸からなり、機能に関わる総原子数は約10万〜100万である。
10nmほどの大きさのタンパク質モータは、タンパク質繊維の上をリニアモータのように滑走する。
例えば、直径10μmほどの微小な植物プランクトンであるクラミドモナスは、２本の鞭毛をもち、それらを平泳ぎをするように使って遊泳する。その鞭毛打頻度は60Hzにおよび、遊泳速度は毎秒100μmに達する。
鞭毛の横断面を見ると、割り箸を束ねたような構造が見られる。中央に2本の微小管（中心対微小管）があり、それらを取り囲むように9本の微小管（周辺微小管）が並び、鞭毛全長にわたって伸びている。この構造は9＋2構造と呼ばれ、殆どの生物の鞭毛及び繊毛に共通してみられる。
周辺微小管から隣の微小管には、ダイニン腕と呼ばれる構造が突き出ている。内腕と外腕の2列が微小管の上に規則的に配列し、これによって、鞭毛の屈曲を作り出している。
【０００８】
ダイニンをガラス基板上に低密度で吸着させて、微小管を加えると、ダイニンと結合した微小管は滑り運動を開始する。
運動している微小管を観察すると、ガラス基板上の1点で支えられ左右に旋回しながら運動していることがわかる。この旋回運動は熱揺動によるものである。支点にはダイニン1分子があり、微小管の連続的な運動を起こしている。微小管が、ダイニン分子に結合してから離れるまでに滑動する距離は、約4μmである。すなわち、ダイニンは、モータ領域を1つしかもたないのに、微小管から離れることなく自分自身の大きさの300倍を超える距離を1分子で運動する。
なお、ミオシンやキネシンは、2つのモータ領域をもち、その部位をタンパク質レールに交互に離接させて進むと考えられている。
【０００９】
タンパク質レールのアクチンや微小管は、直径数nmの分子が自己集積して繊維状の構造を形成するので、生体外で自己集積させることにより、数十μmの長さの繊維にすることが可能である。
【００１０】
タンパク質モータは、微小領域における微小粒子の移動や攪拌、また、情報担体としての微小管の捕捉や整流などに用いる駆動システムとして期待されている。これは、ナノマシンやバイオ機能を用いたバイオコンピュテーションに必須な技術である。
【００１１】
タンパク質モータによる微小管の制御に関する従来技術としては、次のものが挙げられる。
非特許文献１及び２は、基板上に、線状にパターン化したフッ素樹脂やメタクリル系樹脂による微小トラックを設置し、その上にタンパク質モータを配列させて、タンパク質レールとの相互作用を、そのトラック面のみに限定させる方法を開示している。
【非特許文献１】Suzuki, H., Oiwa, K., Yamada, A., Sakakibara, H., Nakayama, H. & Mashiko,S. (1995). Linear arrangement of motor protein on a mechanically deposited fluoropolymer thin film. Jpn. J.Appli. Phys., 34,3937-3941.
【非特許文献２】Suzuki, H., A.Yamada, K.Oiwa, H.Nakayama, and S.Mashiko. (1997). Control of actin moving trajectory by patterned poly(methylmethacrylate) tracks.  Biophys. J. 72:1997-2001.
【００１２】
非特許文献３及び特許文献１は、フォトレジストポリマーを用いて、ガラス基板上に溝を掘り、その溝の中でのタンパク質フィラメントの運動を制御する方法を開示している。
【非特許文献３】Hiratsuka, Y., T.Tada, K.Oiwa, T.Kanayama, and T.Q.Uyeda. (2001). Controlling the direction of kinesin-driven microtubule movements along microlithographic tracks,  Biophys. J81:1555-1561
【特許文献１】特開２００２−１８７９９号「微小駆動素子及びその製造方法」
【００１３】
また、タンパク質モータに関しては、次のような文献もある。
【特許文献２】特開平６−７４１４３号「微細運搬システムまたは動力発生装置」
【特許文献３】特開２００４−１０９６９５号「タンパク質モータの機能に基づく信号変換素子」
【特許文献４】特願2004-359573「タンパク質モータによる微小回路ブロック」
【非特許文献４】Oiwa, K.. (2003). Protein motors: Their mechanical properties and application to nanometer-scale devices.  Mater. Sci. Forum 426-4, 2339-2344.
【００１４】
タンパク質モータとそれに対応する微小管を扱うための材料は、大きく分けて２種類に分けることができる。
その一つが、タンパク質モータを吸着・機能させることができる材料である。この種類の材料としては、PMMA（Polymethylmethacrylate）やPTFE（Polytetrafluoroethylene）等が知られていて、各材料に適応するタンパク質モータを吸着させることで機能させることができる。
他方は、タンパク質モータを吸着しないものまたは吸着してもタンパク質モータが機能しない材料である。その例としては化学増幅レジストのNEB-22があり、ガラス基板上にNEB-22のパターンを形成することで、ガラス基板上に吸着したタンパク質モータ上を滑る微小管の運動方向を制御することができる。
【００１５】
また、タンパク質モータとして高速運動を行なうダイニンは、工業的利用が期待されるタンパク質の一つであるが、それを吸着・機能させる基板表面はこれまでガラスのみであった。
しかしながらカバーガラス等のガラス材料は、所望の形状へ加工することが困難であるために、ガラスの上で吸着するダイニン等のタンパク質モータは平面的な表面での研究に縛られていた。ダイニン等のタンパク質モータを吸着・機能させることができ、その運動活性を維持できる有効な表面を提供する材料は今までなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、本発明は、タンパク質モータを吸着し有効に機能させることができるタンパク質モータ用の基板とその製造方法、並びにそのタンパク質モータ用基板を用いてタンパク質フィラメントの制御等に活用できるタンパク質モータ構造体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明のタンパク質モータ用基板は、タンパク質モータを、その運動機能を保持したまま配置させるための基板であって、少なくとも表面に、タンパク質モータを吸着可能なＳＯＧ（Spin on Glass）を備えることを特徴とする。
【００１８】
そのようなタンパク質モータ用基板の製造方法は、タンパク質モータをその運動機能を保持したまま配置させるための基板を製造する方法において、基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、そのＳＯＧ膜上に、露光用レジストを塗布してパターニングし、そのレジストパターンをマスクとしてエッチングすることで、ＳＯＧ膜のパターニングを行うことを特徴とする。
【００１９】
また、基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、そのＳＯＧ膜に対して、転写するための型となるモールドのマスクを押し当て、その後、マスクをＳＯＧ膜から剥離することで、ＳＯＧ膜のパターニングを行ってもよい。
【００２０】
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、そのＳＯＧ膜に対して、イオンビームを用いて所望の形状に直接エッチングすることで、ＳＯＧ膜のパターニングを行ってもよい。
【００２１】
基板にＳＯＧを塗布及び焼成することで製膜し、そのＳＯＧ膜に対して、転写するための型となるマスクを当て、放射光を照射することで、ＳＯＧ膜のパターニングを行ってもよい。
【００２２】
また、本発明のタンパク質モータ構造体は、タンパク質フィラメントとの相互作用が可能な構造体であって、少なくとも外面にＳＯＧを備え、そのＳＯＧの所望位置に、タンパク質モータをその運動機能を保持したまま吸着させたことを特徴とする。
【００２３】
ここで、タンパク質モータ構造体を、台状に突出させ、その台上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させると共に、台より下方に位置する基板面から浮かせた状態でマイクロビーズをタンパク質フィラメントに固定させることで、タンパク質モータの力測定に寄与させてもよい。
【００２４】
タンパク質モータ構造体を、部分的にドット状に突出させ、そのドットの間隔を適宜選択すると共に、ドット上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させることで、タンパク質フィラメントを長さに応じて分別することに寄与させてもよい。
【００２５】
タンパク質モータ構造体を、台状に突出させ、その台上面のタンパク質モータにタンパク質フィラメントを作用させると共に、台より下方に位置する基板面にタンパク質モータには非接触な電極を設けることで、タンパク質フィラメントの運動方向を制御することに寄与させてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、簡便な方法で形成と微細加工が可能なＳＯＧによって、あらゆる基板をタンパク質モータの運動活性を維持した運動用基板へ変革することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
本発明は、ナノメートルスケールの微細加工を施すことができるＳＯＧ（Spin on Glass）薄膜の製膜方法を改良して、タンパク質モータを、その運動機能・酵素活性を維持した状態で、微細加工を施したＳＯＧ膜基板上に吸着させる方法を開発したことを基本とするものである。
ＳＯＧは、半導体製造工程における多層レジストプロセスの中間層として使われるゾルゲル技術をベースとした絶縁材料であり、酸化ケイ素（SiO2）を主成分とする。
ＳＯＧには、ハイメチルシロキサン系やメチルシロキサン系の有機ＳＯＧや、リンドープシリケート系の無機ＳＯＧなどがある。例えば、上層のレジスト膜との密着性をコントロールするためにはメチルシルセスキオキサン（MSQ）が加えられ、MSQ成分の深さ方向分布を制御することでＳＯＧの特性が制御できる。
【００２８】
ＳＯＧは、塗布−焼成法で容易に製膜することができるため、さまざまな微細加工技術を用いて容易に加工することができる利点がある。ＳＯＧの加工法について以下に触れる。
ＳＯＧ膜は、スピン塗布や、デッピング、吹き付け等の手法により塗布し、高温で処理する（焼成）ことでさまざまな材料表面に製膜できる。それらの手法で製膜したＳＯＧ膜上に電子ビーム露光用や光露光用のレジストをスピン塗布しパターニングし、その形成したレジストパターンをマスクとしてエッチングすることで、ＳＯＧ膜のパターニングを行うことができる。
【００２９】
図１は、ＳＯＧ膜のパターニングプロセスの一例を示す正面断面説明図である。
まず、スピン塗布-焼成によりSi基板上にＳＯＧ膜を製膜する。そのＳＯＧ膜上に電子ビーム露光用のネガ型レジストであるNEB-22をスピン塗布により製膜し、ベイクする。ここまでの工程により、図1 (a)のような多層構造が形成される。
次に、電子ビーム露光プロセスである電子ビーム露光−ベイク−現像を行って、図1 (b)のように、NEB-22をパターニングする。
形成したNEB-22パターンをマスクとして、CHF3を用いた反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching(RIE))を行うことで、図1 (c)のように、ＳＯＧ膜を成形する。
そして、O2を用いたRIEを行って、ＳＯＧ膜上にあるNEB-22を除去することで、図1 (d)のように、所望のＳＯＧ膜のみ残った構造を形成することができる。
【００３０】
更に、ＳＯＧは高粘性材料であるため、非特許文献５のように、ナノインプリント技術を用いてパターニングすることもできる。
【非特許文献５】S. Matsui, Y. Igaku, H. Ishigaki, J. Fujita, M. Ishida, Y. Ochiai, M. Komuro, and H. Hiroshima, J. Vac. Sci. Technol. B 19, 2801 (2001)
【００３１】
図２は、ナノインプリント技術を用いたＳＯＧ膜のパターニングプロセスを示す正面断面説明図である。
まず、図2 (a)のように、ＳＯＧ膜を形成した基板と、転写するための型となるモールドとを用意する。
モールドのマスクをＳＯＧ膜に押し付け、図2 (b)のように、ＳＯＧ膜基板とモールドとを合体させる。
その後、マスクをＳＯＧ膜から剥離することにより、図2 (c)のように、 ＳＯＧをパターニングすることができる。
【００３２】
その他の加工法としては、ＳＯＧを塗布−焼成法で製膜後、集束イオンビームを用いて所望の形状に直接エッチングする方法や、型となるマスクを当て放射光を照射することでＳＯＧを加工する方法なども利用できる。
【非特許文献６】Jun Taniguchi, Kazuhiro Kanda, Yuichi Haruyama, Shinji Matsui, Makoto Tokunaga and Iwao Miyamoto, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) 4304-4306
【００３３】
以上のようにして形成したＳＯＧ膜上において、タンパク質モータであるダイニンの運動機能評価（Motility Assay）を行った。
その結果、微小管の運動を確認することができ、ＳＯＧ膜上でダイニンがタンパク質モータとして機能することが明らかとなった。この成果は、ＳＯＧが微細加工技術を用いて任意形状に加工できる材料であるため、タンパク質モータへの適用において、次のような利点をＳＯＧが有していることを意味している。
形成したＳＯＧパターンを使って、タンパク質モータ上を動くタンパク質フィラメントを制御することが可能である。また、所望の場所でのみタンパク質モータを機能させることが可能である。また、タンパク質モータが機能しない表面にも機能する表面を容易に構築可能である。
ＳＯＧを用いて微小管等のタンパク質フィラメントを制御することで、情報処理デバイスやバイオメカニカルデバイス、バイオナノマシンなどのさまざまな機能性を有したデバイスに利用できる。また、ダイニン等の運動メカニズムを探るためのシステムとしても利用可能である。
【００３４】
図３は、ＳＯＧのタンパク質モータへの利用に関するもので、ＳＯＧの台型構造を用いた光トラップ法の概要を示す正面説明図である。
表面にＳＯＧを有する台上で、タンパク質モータとそれに対応するタンパク質フィラメントを作用させることにより、タンパク質フィラメントの両端部に固定したマイクロビーズを、ＳＯＧ台より下方に位置するガラス表面から浮かせた状態で力測定を行うことができる。そのため、マイクロビーズとガラスとの摩擦による力が発生せず、タンパク質モータの正確な力測定を行える。
【００３５】
ＳＯＧ台型構造の代わりに、フッ酸によるガラス面の直接エッチングや、直径数ミクロンのガラスビーズをガラス基板表面に吸着させる方法など、これまでにも同様の測定がなされている。しかし、フッ酸によるエッチングでは、光ピンセットの光が通過する基板表面の平面性が低下するために、正確な測定を行なうには難があった。また、フッ酸処理は簡便に行なうことができないという難点もある。一方、ガラスビーズでは、ガラスビーズとガラス基板との接着が不安定になることや、均一にビーズを分散させることが難しいために、実験の効率は必ずしも高くできなかった。このような既存技術の問題点を、ＳＯＧによるマイクロ構造体は解決した。
【００３６】
図４は、ＳＯＧを用いた分子ふるいの斜視図であり、図５は、その使用形態を示す一部平面説明図である。
図４のようにＳＯＧを基板上にドット状に配置させた構造体を使用すると、タンパク質フィラメントを長さにより分別することが可能になる。
図5 (a)のように、ＳＯＧドットの間隔が狭い場合は、近くに相互作用するタンパク質モータがあるのでほとんどのタンパク質フィラメントが隣接するドットに進むことができる。図5 (b)のように、ＳＯＧドットの間隔を広くした場合は、長いタンパク質フィラメントは隣接ＳＯＧドットに進めるが、短いタンパク質フィラメントは隣接ＳＯＧドットに届かないためにそれ以上動かなくなる。
このように、マイクロ・ナノマシンへの応用や、分子ふるいなどのタンパク質精製への応用の一つとして、ＳＯＧドット間隔によりタンパク質モータの間隔を制御して機能させることができる。
【００３７】
図６は、ＳＯＧを用いたタンパク質フィラメントの運動制御部材の正面断面説明図である。
ガラス基板上に微細加工技術で電極を作製し、その上にタンパク質モータを機能させるＳＯＧを積層させた。これによると、タンパク質モータに非接触な電極を用いて、マイナスチャージを有するタンパク質フィラメントの運動方向を制御することが可能となる。
以上のように、ＳＯＧは加工可能なタンパク質モータが吸着する材料であるため、例として示した以外にもＳＯＧを利用して多種多様な装置に利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のタンパク質モータ用基板及びその製造方法とタンパク質モータ構造体によると、タンパク質モータを吸着・機能させるＳＯＧの作用によって、多種多様なタンパク質モータに関する新規な研究を行うことが可能になる。
タンパク質モータによって滑り運動を行うタンパク質フィラメントの運動を制御したり、整流、捕獲する装置のための基盤技術となるので、タンパク質モータ機能研究の新たな手段が提供される。また、微小領域における微小粒子の移動や攪拌、また、情報担体としてのタンパク質フィラメントの新規駆動システムにも活用可能である。これは、ナノマシンやバイオ機能を用いたバイオコンピュテーションに必須な技術である。
また、あらゆる基板をタンパク質モータの活性維持が可能な基板に変換することができるので、バイオセンサーなどにも有用であり、産業上利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ＳＯＧ膜のパターニングプロセスの一例を示す正面断面説明図
【図２】同、別実施例
【図３】光トラップ法の概要を示す正面説明図
【図４】分子ふるいの要部を示す斜視図
【図５】分子ふるいの使用形態を示す一部平面説明図
【図６】タンパク質フィラメントの運動制御部材の正面断面説明図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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